空投波浪測量浮標(biāo)降落仿真與結(jié)構(gòu)強度分析

尼建軍，李宏武，魏曉輝，劉 寧*，董 濤

（1.海軍裝備部駐天津地區(qū)第一軍事代表室，天津 300131；2.國家海洋技術(shù)中心，天津 300112）

波浪測量浮標(biāo)作為觀測和收集海浪數(shù)據(jù)的主要儀器，可以長期、自動、定點、定時、全天候地對海浪高度、傳播方向、波浪周期、功率譜和方向譜等水文要素進行觀測和數(shù)據(jù)收集[1]。波浪測量浮標(biāo)通過分析其在海面上的運動狀態(tài)，以此來反映出海浪的情況[2]，現(xiàn)在的波浪測量浮標(biāo)有兩種，一種是基于加速度傳感器的波浪測量浮標(biāo)，另一種是基于GPS的波浪測量浮標(biāo)。

在浮標(biāo)和測波儀器方面，最著名的是荷蘭Datawell公司的Directional Waverider 測波浮標(biāo)系列，其中MkIII型波浪浮標(biāo)，內(nèi)部有羅盤和加速度傳感器，內(nèi)部電池可以支持工作3年左右，而另一型號測波浮標(biāo)DWR-G型波浪浮標(biāo)是利用GPS測量波浪[3-4]；美國InterOcean公司研制的S4ADW系列方向波浪測量儀，利用高分辨率壓力傳感器來測量海綿波引起的波動，進而反饋波浪參數(shù)；另外還有挪威Fugro Oceanor公司的Wavescan型浮標(biāo)，挪威Aanderaa公司生產(chǎn)的DB4700型浮標(biāo)，它們基本都配有一個單軸加速度傳感器、一個電磁羅盤和一個雙周傾角傳感器。

近年來，國家海洋技術(shù)中心研制了SBF6-1型波浪浮標(biāo)、SBF7-1型波浪浮標(biāo)，山東省科學(xué)院海洋儀器儀表研究所研制了SBF3型波浪浮標(biāo)遙測系統(tǒng)，中國海洋大學(xué)研制了SZF型波浪測量浮標(biāo)。這幾款波浪浮標(biāo)均是的利用重力加速度傳感器來測量波浪[5-7]。

這些傳統(tǒng)的波浪測量浮標(biāo)均是通過船載、人工的方式進行布放，海上作業(yè)的時間較長，有較大的風(fēng)險。為了改變這種浮標(biāo)布放方式，將航空技術(shù)與波浪浮標(biāo)結(jié)合，通過無人機或其它飛行器投放。本文設(shè)計了一種新型空投波浪測量浮標(biāo)，從而實現(xiàn)目標(biāo)海域的波浪快速實時觀測。對于空投浮標(biāo)的研究，大部分基于反潛聲吶浮標(biāo)的研制，其它類型浮標(biāo)的研究資料較少。

該型號空投波浪測量浮標(biāo)利用MEMS加速度傳感器反饋浮標(biāo)的運動狀態(tài)，從而獲得波浪參數(shù)。本文對浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)進行設(shè)計與研究，利用有限元方法和Python軟件對降落過程進行了數(shù)值模擬，并校核其關(guān)鍵部位強度，論述了浮標(biāo)空投的可行性與安全性。

1 AWMB結(jié)構(gòu)設(shè)計

1.1 AWMB的設(shè)計要求及工作原理

AWMB設(shè)計的要求如下：（1）擁有較高的自動化，發(fā)射后無需人為控制；（2）滿足從空中投放的要求，安全入水；（3）準(zhǔn)確采集處理海浪的參數(shù)；（4）通過衛(wèi)星通信。其工作原理如圖1所示。

圖1 AWMB的工作原理

1.2 結(jié)構(gòu)設(shè)計

考慮到AWMB的運輸載具是飛行器，機載吊艙對浮標(biāo)的結(jié)構(gòu)外形和尺寸有著嚴(yán)格的限制，所以浮標(biāo)體的外形確定為圓柱形。雖然圓柱狀的物體在海洋工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，對于圓柱繞流現(xiàn)象的研究發(fā)展也比較快，但如果利用柱狀浮標(biāo)來監(jiān)測海浪，由于其為細長型的漂浮圓柱體，要注意3點：隨波性、衛(wèi)星通信和運載方式。

1.2.1 隨波性

根據(jù)橫搖經(jīng)典理論，橫搖角相對于波面角的幅頻響應(yīng)函數(shù)為[8]：

浮標(biāo)的直徑相對于波長較小，浮標(biāo)的初穩(wěn)心高很高，橫搖的固有周期很短，其橫搖角近似于波面角，即隨波漂流。

1.2.2 衛(wèi)星通信

由于此型號浮標(biāo)采用的是北斗衛(wèi)星通信的方式，因此對浮標(biāo)的橫搖運動的穩(wěn)定性提出了更加嚴(yán)格的要求。較小的橫搖角度能夠降低天線束寬的要求，提高天線增益，增加系統(tǒng)的通信質(zhì)量[9-10]。

1.2.3 運載方式

首先，浮標(biāo)的整體質(zhì)量不能太大，盡量減輕浮標(biāo)的重量，無論對于搭載數(shù)量，還是降落過程中的沖擊，都是至關(guān)重要的。其次，需要合適的減速裝置，減緩降落過程中受到的沖擊。

綜合以上3點，省去降落傘及其復(fù)雜的開傘和剪傘裝置，用一個可以展開的減速板替代，不僅提高了浮標(biāo)的可靠性，還可以增大初穩(wěn)心高，優(yōu)化隨波性能[11-12]和通信質(zhì)量。同時，擴展出來的減速板，可以增大浮標(biāo)擺動的阻尼，以防止被海浪打翻。浮標(biāo)的主體結(jié)構(gòu)采用厚度為2 mm的鋁合金圓筒，而減速板是由8根主梁和544航空傘布制成，其中，主梁是由固體浮力材料加工制成，密度僅為500 kg/m3，極大地增加了浮標(biāo)的儲備浮力，提高了穩(wěn)定性。

浮標(biāo)由4部分組成，從上到下依次為：天線艙、電路模塊艙、電池艙和減速板及其啟動裝置模塊。天線艙內(nèi)部裝有北斗衛(wèi)星天線，加速度傳感器、數(shù)據(jù)處理電路和北斗天線電路裝于電路模塊艙，電池艙的下部是減速板的啟動模塊，減速板覆蓋于電路模塊艙和電池艙表面，如圖2所示。

圖2 AWMB總體布置圖與減速板結(jié)構(gòu)及外形

浮標(biāo)總長0.887 m，減速板閉合狀態(tài)時最大直徑為0.124 m，展開狀態(tài)時最大直徑為0.89 m，續(xù)航時間至少一周。以浮標(biāo)減速板展開狀態(tài)下所在平面為基平面，浮標(biāo)的重心高度為-0.229 m，浮心高度為-0.136 m，浮標(biāo)水線面與基平面重合，初穩(wěn)心高為+0.152 m，排水量為4.36 kg。

2 降落過程分析

2.1 減速板展開過程中阻力系數(shù)計算

2.1.1 理論方法及預(yù)處理

為了確定浮標(biāo)在降落過程中減速板展開時的受力情況，在減速板不同的展開角度狀態(tài)下，進行計算分析，獲得不同狀態(tài)下浮標(biāo)受到的空氣阻力，利用式（2）得到減速板展開過程中阻力系數(shù)的變化趨勢。

式中：Fw為浮標(biāo)所受到的空氣阻力；d為減速板沿浮標(biāo)降落方向投影面的直徑；ρ為空氣的密度；v為浮標(biāo)降落的速度；r為電路模塊艙的半徑；R為減速板主梁的長度；θ為減速板主梁與浮標(biāo)軸線的角度。

設(shè)定浮標(biāo)的降落速度為12 m/s，在減速板展開過程中，會形成傘狀錐形區(qū)域，因此，此時的流體并不是理想流體，而是有旋、無粘的，湍流模型采用標(biāo)準(zhǔn)k-e模型。以減速板主梁與浮標(biāo)軸線的角度為變量，每隔7.5度，計算在此狀態(tài)下浮標(biāo)沿軸線方向的壓力狀況，獲得降落的空氣阻力。

計算網(wǎng)格采用四面體網(wǎng)格，采用ICEM CFD進行網(wǎng)格劃分。浮標(biāo)與流體界面的網(wǎng)格如圖3所示。

圖3 13種狀態(tài)下的網(wǎng)格分布圖

2.1.2 計算結(jié)果及分析

各種狀態(tài)下，浮標(biāo)所受到的空氣阻力以及對應(yīng)的阻力系數(shù)如表1所示。阻力系數(shù)隨角度變化的趨勢如圖4所示（0至15°的計算結(jié)果無效）。

表1 計算結(jié)果

圖4 阻力系數(shù)隨角度變化的趨勢圖

由圖4可知，對于圓錐面物體，當(dāng)圓錐母線與軸線之間的角度小于15°時，已經(jīng)不符合式（2）定義的空氣阻力系數(shù)的計算；而對于大于15°的，阻力系數(shù)將隨角度增大而先增大后減小，在75°處，阻力系數(shù)達到最大。對數(shù)據(jù)進行三次曲線擬合，獲得阻力系數(shù)隨角度變化的函數(shù)：

2.2 浮標(biāo)降落過程的運動狀態(tài)

減速板的展開機構(gòu)為曲柄滑塊機構(gòu)，如圖5所示。其中，桿AB為減速板的主梁，桿BC為支撐桿，用于將減速板撐起，滑塊附著在浮標(biāo)電池艙上，與支撐桿相連。當(dāng)滑塊沿著浮標(biāo)體作豎直向上的運動時，通過支撐桿將減速板的傘面骨架撐起，從而達到減速板展開的目的。

圖5 減速板的展開機構(gòu)示意圖

減速板的展開速度決定了整個浮標(biāo)空投的最低高度、減速狀態(tài)以及入水速度，因此，對減速板展開速度的分析尤為重要。圖5中的P點為主梁AB與滑塊的速度瞬心，B點的運動矢量方程為：

主梁轉(zhuǎn)動的角速度：

為了提高其安全系數(shù)，設(shè)定浮標(biāo)的質(zhì)量為4.5 kg。同時，可以對減速板展開過程的受力簡化，即阻力垂直于減速板。其受力面積為減速板垂直方向上投影的面積：

浮標(biāo)在降落過程中所受到的空氣阻力和降落速度為：

將式（4）代入式（11），可以得到關(guān)于θ的一元三次函數(shù)?，F(xiàn)設(shè)定浮標(biāo)在高度800 m處無初速度釋放，釋放1.5 s后，減速板開始作展開運動，假設(shè)為無風(fēng)狀態(tài)，浮標(biāo)此時僅受到重力和空氣阻力的作用。利用Python進行數(shù)值模擬，可以得出減速板的展開過程中浮標(biāo)所受到的空氣阻力，如圖6所示；浮標(biāo)下降過程中速度變化和高度變化如圖7所示。

圖6 浮標(biāo)降落過程中所受到的空氣阻力

由圖7可知，浮標(biāo)從高度為800 m處釋放后，到達719.2 m時，減速板完全展開，之后在很短時間內(nèi)達到勻速運動，因此，可以認(rèn)為719.2 m時，就開始作勻速運動了。浮標(biāo)從釋放到入水的過程，耗時71 s，實際情況下，所用時間可能會更短。

圖7 浮標(biāo)降落的速度與高度的變化曲線

3 減速板主梁的強度分析

最容易損壞的地方是減速板的主梁結(jié)構(gòu)，由于玻璃微珠復(fù)合材料的脆性，會使它在降落過程和入水過程中會出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，尤其在降落過程中，主梁一旦損壞，必將導(dǎo)致整個浮標(biāo)的墜毀。如果在入水過程中主梁損壞，因為柔性傘布的包裹，減速板整體依舊可以保持一個擁有浮力的平板，不會影響測波性能。因此，降落過程中，減速板主梁的完整是保證浮標(biāo)安全性和完整性的關(guān)鍵。減速板主梁采用的海洋固體浮力，如圖8所示。

圖8 海洋固體浮力材料

在第2節(jié)中，已經(jīng)分析得出了在減速板展開的過程中，會受到最大阻力，其值為64.02 N。此時的減速板還未完全展開，假設(shè)圓錐形減速板內(nèi)部的壓力均垂直于板面，所以，可以簡化為一個外徑為R1內(nèi)徑為R2的圓環(huán)，受到垂直于板面向上的壓力。因為減速板是由8根梁支撐起來的，所以單根梁的單位長度上所受到阻力為：

網(wǎng)格采用六面體線性單元，整體節(jié)點之間的尺寸約為4 mm，對應(yīng)力集中的部位添加節(jié)點，特別是中部和凹槽相交的孔，增加其網(wǎng)格密度，總共5 990個單元，如圖9所示。

圖9 網(wǎng)格劃分和局部細化

圖10 主梁的應(yīng)力云圖

仿真的應(yīng)力云圖如圖10所示。最大應(yīng)力位于中部孔的位置，大小為36.1 MPa。根據(jù)材料的力學(xué)性能報告（圖11），所選用的玻璃微珠復(fù)合材料的拉伸強度為23 MPa，因此，這種結(jié)構(gòu)是無法滿足要求的。

圖11 力學(xué)測試報告

為了能夠保證減速板主梁在降落展開過程中不會斷裂，特別是中部孔的位置，采取兩根復(fù)合材料梁夾一根鋼板的結(jié)構(gòu)，如圖12所示。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)，既可以彌補玻璃微珠復(fù)合材料抗拉強度低的缺點，又可以改善材料脆性大的特點，提高了浮標(biāo)的安全性。而且，經(jīng)過對浮標(biāo)進行漂浮實驗，新的主梁結(jié)構(gòu)對浮標(biāo)的重浮心位置影響很小，水面線仍與減速板重合，如圖13所示。

圖12 減速板主梁的新結(jié)構(gòu)

圖13 AWMB的漂浮狀態(tài)

4 結(jié) 論

本文結(jié)合現(xiàn)代航空技術(shù)，設(shè)計了一款新型無需降落傘的空投波浪測量浮標(biāo)，并對浮標(biāo)空中運動過程進行了計算分析，探究了其結(jié)構(gòu)的強度和安全性問題，并提出了可行的解決方案。結(jié)合計算結(jié)果分析，得出以下研究結(jié)論：

（1）提出了新型空投波浪測量浮標(biāo)結(jié)構(gòu)組成和設(shè)計參數(shù)，在理論上驗證了浮標(biāo)安全降落的可行性，并優(yōu)化了減速板結(jié)構(gòu)；（2）對于減速板不同的開合角度，其沿軸線方向的投影面對應(yīng)的阻力系數(shù)基本保持不變，僅僅在角度比較小的時候不適用，為錐形面的流體阻力計算提供了較為方便的簡化方法；（3）該型浮標(biāo)減速板主梁采用的玻璃微珠復(fù)合材料，減輕了浮標(biāo)的重量，為浮標(biāo)提供額外的浮力，并初次將這種脆性材料作為功能結(jié)構(gòu)件使用，通過在中部添加韌性材料，很好地解決了材料的強度與脆性問題。

為了更加準(zhǔn)確檢驗浮標(biāo)降落過程的安全性，今后將進一步開展低空投放試驗，對浮標(biāo)空中運動狀態(tài)和入水狀態(tài)進行評測。另外，此類浮標(biāo)不但適用于機載投放，也可用于船載和水下平臺搭載，用于應(yīng)急情況下的使用。